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CAPITULO 4
EQUIPO EXPERIMENTAL
4.1 DESCRIPCION GENERAL Se puede describir en forma general al equipo como un conjunto de partes formadas en
su mayoría de acero inoxidable tipo AISI 304L y vidrio borosilicato [13] y que también
incluye partes importantes como una bomba de 5 HP, un calentador de vapor, dos
tanques estacionarios para el almacenamiento de agua y la nueva innovación para este
equipo será la introducción de un intercambiador de calor. El equipo de fluidización se
compone de dos partes, la primera parte es la que recibe el vapor proveniente de la
sección de calderas de la Universidad y un sobrecalentador de vapor, y la segunda parte
que es donde el vapor es utilizado como medio de fluidización de partículas sólidas.
Cada parte, tanto la primera como la segunda, cuenta con un determinado número de
válvulas que son utilizadas para regular el flujo de vapor en el sistema, varios
manómetros que son usados para medir las presiones en las partes más importantes del
equipo y varios termómetros para inspeccionar constantemente las temperaturas que
alcanza el vapor en determinadas partes del sistema. El vacío es generado en la columna
de fluidización mediante la bomba de vacío de 5 HP mencionada anteriormente. Las
presiones de operación al vacío son controladas mediante válvulas que también son muy
importantes en la toma y retiro de muestras experimentales. Debido a las altas
temperaturas que alcanza el vapor, el agua utilizada por la bomba de vapor contenida en
los tanques estacionarios se calienta considerablemente al combinarse esta con el vapor
durante el proceso de experimentación. Esta situación disminuye la eficiencia de la
bomba de vacío considerablemente. Por esto es necesario incluir en este sistema un
intercambiador de calor que enfríe el agua constantemente durante la experimentación.
En la figura 4.1 se puede observar la columna de fluidización del equipo.
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FIGURA 4.1 Posición actual de la columna de fluidización en el equipo
4.2 PRIMERA PARTE DEL EQUIPO
Como se ha dicho anteriormente, en esta parte se recibe el vapor proveniente de la
sección de calderas de la universidad. El vapor se introduce a un tubo de cuatro
pulgadas de diámetro cedula 10, tiene una longitud de 400 mm y un diámetro interior de
10.82 cm [13]. El vapor que recibe nuestro sistema no tiene la calidad deseable y al
inicio del proceso contiene mucho agua; por lo tanto, Guarneros[13] colocó una purga
extra en la entrada del vapor al sistema para eliminar las impurezas y el agua contenida
en el vapor desde su entrada al sistema. La entrada de vapor al sistema es regulada por
una válvula de bola, la cual es capaz de regular el flujo del vapor. La primera purga
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contiene una válvula de bola. En la figura 4.2 y 4.3 se puede observar la primera purga
y las dos válvulas antes mencionadas.
Figura 4.2 Entrada del sistema para el vapor. Se puede observar la válvula de bola que
regula el flujo de vapor en su entrada al sistema
Figura 4.3 Primera purga del sistema. Se puede observar la válvula de bola que regula
la salida de vapor a través de la primera purga instalada por Guarneros [13].
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A estas dos válvulas les sigue una válvula de globo cuya función principal es la de
controlar el flujo de vapor que entraría a las columnas de fluidización. A esta válvula le
sigue un calentador de vapor eléctrico marca Chromalox con una capacidad de 9 kW,
240 Volts de tres fases y que incluye un termostato modelo AR-514 de la misma marca,
cuyo rango va de 200º F a 550º F. [13]. Existe gran dependencia entre la última válvula
mencionada y el calentador eléctrico, ya que este no es capaz de calentar grandes
cantidades de vapor, por lo tanto es necesario regular el flujo del vapor a una cantidad
de flujo que pueda ser calentada por el calentador eléctrico. La figura 4.4 muestra la
válvula recientemente mencionada y la figura 4.5 muestra el calentador eléctrico.
Figura 4.4. Válvula de globo para nivelar el flujo de vapor que se dirige hacia el
calentador. [13]
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Figura 4.5 Calentador eléctrico
Como ya se mencionó anteriormente, la calidad del vapor que este sistema recibe no
tiene la calidad deseada. El calentador se instaló con el objetivo de evaporar el agua en
fase líquida que aun contiene el vapor y sobrecalentarlo. De esta manera la columna de
fluidización recibirá solamente vapor. En la salida del calentador se encuentran tanto un
termómetro bimetálico como un manómetro de carátula para monitorear constantemente
tanto la temperatura a la cual sale el vapor del calentador y la presión a la cual se
encuentra el sistema. La temperatura a la cual el vapor requiere ser calentado es
controlada con el termostato que viene incluido en el calentador. Además, antes de la
entrada del vapor a la columna, se encuentra instalada otra purga para asegurar la
entrada de vapor puro y sobrecalentado al sistema. Esta purga es controlada mediante
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una válvula de bola y el flujo de vapor en la entrada a la columna de fluidización es
controlada mediante una válvula de globo. Cuando se ha asegurado que solamente
existe vapor en el sistema y existan las condiciones de vacío requeridas en las columnas,
se abre esta válvula de globo para que el vapor se introduzca en la columna de
fluidización. La figura 4.6 muestra la última purga contenida en el sistema y la parte
donde en vapor entra a las columnas de fluidización.
Toda la tubería que se encuentra en esta parte fue cubierta por Guarneros [13] con un
sistema de aislante térmico, el cual consiste en secciones de fibra de vidrio y un
recubrimiento de lámina de aluminio. Estos recubrimientos tiene la finalidad de evitar
pérdidas de calor del vapor durante su trayectoria hacia las columnas de fluidización.
Figura 4.6 Última purga del equipo antes de que el vapor entre en la columna.
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4.2 SEGUNDA PARTE DEL EQUIPO
Esta parte abarca todos los componentes localizados en la columna de fluidización al
igual que el equipo encargado de generar el vació dentro de la columna de fluidización
y el intercambiador de calor, que será el nuevo componente que se incluirá en el equipo.
Como se mencionó anteriormente, el vapor se introduce a la columna de fluidización
por la parte inferior de esta y su flujo de entrada es controlado mediante una válvula de
globo contenida en esta parte.
La columna de fluidización cuenta con varios elementos los cuales se explicaran a
continuación:
4.2.1 RESISTENCIAS ELECTRICAS
En la segunda parte de nuestro equipo existen resistencias eléctricas conectadas
en serie tanto en la sección superior, en la de en medio y en la sección inferior de la
columna de fluidización. Las resistencias eléctricas con las que cuenta el equipo son una
serie de abrazaderas de lámina de acero conectadas por medio de un circuito en serie, lo
que permite que se calienten estas láminas con la finalidad de evitar condensación del
vapor al paso de este a través de estas secciones de la columna. En la parte inferior de la
columna existen dos resistencias eléctricas las cuales se muestran numeradas en la
figura 4.7. Estas resistencias evitan la condensación del vapor en la entrada a la
columna de fluidización. La resistencia uno tiene un valor de 71.6 Ω y la resistencia 2
tiene un valor de 170 Ω [13].
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Figura 4.7 Resistencias eléctricas en la parte inferior de la columna [13].
En la sección media y superior de la columna se encuentran conectadas seis resistencias
de lámina de acero muy parecidas a las dos resistencias de la parte inferior de la
columna pero diferentes tanto en magnitud de tamaño como de número de ohms que
contienen. Estas resistencias evitan la condensación del vapor durante el paso de estas a
través de la columna de fluidización. Estas seis resistencias se encuentran conectadas en
serie con las dos resistencias que se encuentran en la parte inferior de la columna de
fluidización. La figura 4.8 muestra las seis resistencias numeradas en la parte media y
superior de la columna. Las resistencias en esta parte tienen los siguientes valores:
95.1Ω para la resistencia 1, 191.3 Ω para la resistencia 2, 150.3 Ω para la resistencia 3,
317 Ω para la resistencia 4, 287 Ω para la resistencia 5 y 193.9 Ω para la resistencia 6
[13].
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Figura 4.8 Resistencias de la parte media y superior de la columna [13].
4.2.2 MIRILLAS
Durante el proceso de fluidización de partículas sólidas, el control visual del
proceso es muy importante, ya que muchos parámetros que influyen en el proceso de
fluidización solamente pueden medirse en forma visual. Por este motivo, el equipo
cuenta con dos mirillas transparentes. Una se localiza en la parte baja de la sección
superior de la columna y la otra se localiza justo arriba de la primera, como se observa
en la figura 4.9. Las mirillas consisten en dos piezas de vidrio borosilicato con una
curvatura menor de 2.25 mm con una junta se silicón rojo Permatex®, las cuales se
sujetan por medio de dos abrazaderas a una sección de la columna que cuenta con un
arreglo de 12 barrenos de 1 pulgada de diámetro cada uno [13].
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Figura 4.9 Mirillas de la columna de fluidización.
4.2.3 DISPOSITIVO PARA LA ADMISION DE PARTICULAS
Las partículas sólidas pueden entrar a la columna de fluidización mediante un
tubo de entrada localizado en la parte inferior frontal de la sección superior de la
columna de fluidización. Este tubo tiene una válvula de bola que se encuentra
naturalmente cerrado excepto si se requiere la admisión de partículas sólidas dentro de
la columna de fluidización. Una vez que se ha generado el vacío requerido en la
columna, es posible introducir las partículas sólidas a la columna por medio de succión.
Las partículas son colocadas en la boca del tubo de entrada y, al existir vacío dentro de
la columna, este vacío succionara las partículas en la boca del tubo. Este mismo
dispositivo para la admisión de partículas es también utilizado para desalojar las mismas
una vez que la prueba ha terminado. Para retirar las partículas que se encuentran dentro
de la columna, es necesario aplicar aire comprimido a la columna, de esta forma, las
partículas serán arrojadas por este dispositivo de admisión. La figura 4.10 muestra la
ubicación de este dispositivo en la columna de fluidización.
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Figura 4.10 Dispositivo para la admisión de partículas
4.2.3 DISPOSITIVO PARA TOMA DE MUESTRAS
Para la toma de muestras existen dos salidas en la columna. La elección de estas
salidas dependen de la altura del lecho fluidizado. En la figura 4.11 se puede observar la
posición de cada una de estas salidas. En la figura 4.11 también puede verse el
dispositivo que debe atornillarse a una de las dos salidas para poder extraer la muestra.
Este dispositivo es muy importante, ya que, además de contener una válvula de bola
para controlar el número de muestras que se desean obtener, también sirve para colocar
el tomador de muestra que se muestra en la figura 4.12.
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Figura 4.11 Dispositivo para toma de muestras atornillado en la toma inferior
4.12 Tomador de muestras [13]
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La forma en que puede obtenerse la muestra es mediante una derivación del
vacío, se desvía la generación de vacío hacia otro punto de la columna para que al abrir
la válvula de bola colocada en la salida, las partículas salgan dirigidas hacia un filtro de
vapor colocado de tal manera que el vapor pueda pasar libremente mientras que las
partículas sean desviadas hacia el tomador de muestras [13].
4.2.4 DISTRIBUIDOR DEL VAPOR
El distribuidor es la parte encargada de distribuir uniformemente el vapor
sobrecalentado en la columna de fluidización. Generalmente se define como una placa
delgada que contiene un determinado número de agujeros a través de los cuales el vapor
es distribuido en la columna de fluidización. Para este equipo se cuentan con dos
distribuidores de acero inoxidable 304L. Las características de cada distribuidor son
presentadas a continuación [13].
• El primer distribuidor tiene un espesor de 1.5 mm y 294 barrenos de 1.59 mm de
diámetro. La forma de la celda unitaria es de triángulo equilátero cuyo lado mide
6 mm. La relación que hay entre el área de todos los orificios y el área del ducto
se refiere al área libre existente en el distribuidor, y para este caso es de f =
0.0633. Este distribuidor se muestra en la figura 4.13.
• El segundo distribuidor al igual que el primero tiene un espesor de 1.5 mm, 276
perforaciones de 1.59 mm de diámetro. Se tiene un arreglo de estrella de 5 picos
con una separación radial de 5.2 mm. La relación de área libre es de f = 0.0594.
Este distribuidor se puede observar en la figura 4.14.
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Figura 4.13 Primer distribuidor [13]
Figura 4.14 Segundo Distribuidor [13]
4.2.5 APARATOS DE MEDICIÓN EN LA COLUMNA
Para poder medir y monitorear constantemente los parámetros que influyen en
los procesos de fluidización, existen varios instrumentos de medición distribuidos
estratégicamente a lo largo de la columna de fluidización. Estos instrumentos son
utilizados para medir y monitorear la presión de operación y la temperatura del vapor
dentro de la columna.
Para medir temperaturas en tres zonas importantes a lo largo de la columna de
fluidización, se cuenta con tres termopares tipo J con bulbo de 3/16 in de acero
inoxidable. Para medir las presiones de vacío en tres diferentes puntos estratégicos a lo
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largo de la columna, esta cuenta con tres manovacuómetros distribuidos a lo largo de la
columna. En las figuras 4. 15 y 4.16 se puede observar los tres manovacuómetros y uno
de los tres termopares descritos anteriormente.
Figuras 4.15: Se observan los 3 manovacúmetros instalados a lo largo de la columna
Figuras 4.16. Uno de los tres termopares a los largo de la columna de fluidización.
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La caída de presión en el lecho fluidizado es uno de los parámetros más importantes que
influyen en el proceso de fluidización. Este parámetro se mide con ayuda de un
manómetro tipo U ubicado en la parte inferior derecha de la columna de fluidización. El
fluido de medición que utiliza este manómetro es tetracloruro de carbono (CCl4).
Guarneros [13] agregó yodo al tetracloruro de carbono de este manómetro para dar
coloración a este fluido de medición y de esta forma, facilitar la lectura de las alturas del
fluido. La razón del uso de este fluido se debe a que el peso específico del tetracloruro
de carbono le permite ser más sensible a las caídas de presión pequeñas, y de esta
forma, existe un mayor desplazamiento del fluido en el manómetro que el que existiría
con cualquier otro fluido de medición. El manómetro tipo U esta conectado en la parte
superior e inferior del distribuidor mediante dos condensadores que contiene agua, la
cual desplaza el fluido de medición para obtener las diferencias de alturas en el
manómetro al existir caídas de presión. Las figuras 4.17 y 4.18 muestran el manómetro
tipo U y los condensadores respectivamente.
Figura 4.17 Manómetro de Tetracloruro de carbono
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Figura 4.18 Condensadores conectados a la columna para medir la caída de
presión.
4.3 INTERCAMBIADOR DE CALOR
Como se ha mencionado anteriormente, se adaptará a nuestro equipo un intercambiador
de calor que enfriará el agua usada por la bomba de vacío.
Durante el proceso de fluidización, el agua utilizada por la bomba de vacío es calentada
hasta aproximadamente 90 grados centígrados debido al contacto que existe entre ella y
el vapor sobrecalentado. Esto provoca una disminución considerable de la eficiencia de
la bomba de vacío y, consecuentemente, presiones de vacío en la columna mucho
menores a las requeridas en los experimentos. En trabajos anteriores con este equipo
[13], [7], [14], se utilizaron dos tanques de agua para ir cambiando el agua
constantemente una vez que esta se encontraba demasiado caliente. Sin embargo, existía
mucha perdida de tiempo en este proceso. El intercambiador de calor con el que contará
nuestro equipo enfriará constantemente el agua que ha sido calentada durante el proceso
de fluidización, y de esta manera, la eficiencia de la bomba de vacío permanecerá
constante.
El intercambiador de calor esta instalado a un tanque estacionario de agua de
aproximadamente 230 litros. El agua de este tanque es enfriado constantemente por el
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intercambiador de calor, marca Gilvert ® modelo GF3AD-A202TFC-E. La potencia
con la que cuenta el intercambiador de calor es de 2 hp y requiere un suministro de
energía eléctrica de 220 V. El gas utilizado por el intercambiador de calor para enfriar el
agua que se encuentra en el tanque de 230 litros es R22. Para el ciclo de enfriado de este
gas, el intercambiador de calor utiliza un sistema de acumulación de refrigerante marca
Copeland®, modelo CRD1-0200-TFS-501 y requiere un voltaje de entre 200 a 240 V.
para su buen funcionamiento.
El agua caliente generada durante el proceso será bombeada por la bomba de vacío
hasta el tanque estacionario que contiene el agua enfriada por el intercambiador de
calor. La misma bomba tomará agua fría de este mismo tanque para generar las
presiones de vacío requeridas dentro de la columna. La figura 4.19 y 4.20 nos muestran
el intercambiador de calor y el tanque estacionario de agua fría respectivamente.
Figura 4.19. Equipo de enfriamiento que contiene el serpentín de calor
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Figura 4.20. Tanque estacionario en el cual se descargará el agua caliente y se tomará
agua fría para el buen funcionamiento de la bomba de vacío.
Sin embargo este equipo de enfriamiento se encuentra ubicado en una zona muy
inaccesible en planta piloto. Debido a cuestiones de seguridad y pérdidas de presión, se
descarto la idea de bombear agua desde la zona de columnas de fluidización hasta el
equipo de enfriamiento. En cambio, se opto por construir un medio de transporte para
todo el equipo de enfriamiento. Este medio de transporte tendría la capacidad de
transportar tanto el serpentín de calor como el tanque de estacionario de agua de manera
simultánea hasta la zona donde se ubican las columnas de fluidización. El transporte
tuvo que ser diseñado con la geometría necesaria para que alojara en forma correcta
tanto el motor del serpentín de calor como el tanque estacionario de agua. La parte del
transporte que sostendría el tanque de agua fue construido de tubular de 1/8 pulgadas de
espesor y el perfil cuadrado con dimensiones de 2 x 2 pulgadas. El material de este
tubular es acero ASTM A36. Las rodajas o ruedas que sostendrían esta parte del
transporte son modelo HI-76PGB, con un diámetro de la rueda de 3 pulgadas, con la
capacidad de soportar una carga de 90 Kgs. cada una, y de material hule.
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La parte del transporte que sostendría el motor y la bomba del equipo de refrigeración
fue construido con tubular de 1/8 pulgadas de espesor y el perfil cuadrado con
dimensiones de 1 x 1 pulgadas. El material en esta parte fue el mismo que en la parte
antes mencionada. Las rodajas o ruedas que sostendrían esta parte del transporte son
modelo HT-415A, con un diámetro de la rueda de 851 pulgadas, con la capacidad de
soportar 50 Kgs entre las cuatro y de material hule. Ambos tipos de rodajas utilizadas en
ambas partes son marca Rodamex®. En la parte del transporte donde se sostendría el
tanque estacionario se utilizó material más grande y rodajas mas resistentes debido a
que esta parte sostendría un peso de aproximadamente 230 Kgs. mientras que la otra
parte sostendría un peso de aproximadamente 50 Kgs. La figura 4.21 muestra este
medio de transporte para el equipo de enfriamiento.
Figura 4.21 Transporte para equipo de enfriamiento del agua usada en los experimentos
de fluidización.